明日への技 術 情 報Technical Information
PIMセラミックス

第一セラモ株 式 会 社は長年にわたり、小型で複 雑な料など選 択 肢も増えたことで、実 用化に向けた動き（ 粉末
形 状の金 属やセラミックス部品を製 造するPIMが 進んでいる。現在、3Dプリンターで材料を積 層し射出 成 形 ）用の 材 料開 発を進めてきた。これまで 培 って造 形する方 式には 7 種 類あり、なかで も 材 料 押出てきたこの 技 術を 3D プリンター用 材 料に 応 用する（ MEX ）
方 式は構成がシンプルで 安 価なため、樹脂用ことで、従 来では難しか った特 殊 形 状の 金 属やセラ3D プリンターとして最 も 普 及している。最 近で は、ミックス部 品の 造 形が 可能になった。その 技 術およ金 属 材 料やセラミックス材 料 の 適 用も可 能となり、び 応 用展開について紹介する。

図1

PIM および AM 技術の生産プロセス

図2

改善前

ペレット原料が使用できる MEX 方式 3D プリンター
改善前

改善後

改善後

3D プリンター用材料

図4

密着性の改善（ SUS316L 造形品 )図5

糸曳性の改善（ ジルコニア造形品 ）型 形 状 の 金 属やセラミックス部 品を 大ンダー組成の最適化などで優位である。

ともなう収 縮 性と造 形 体 強 度を踏まえ量に製造するのに適した加工方法で、量そこで、３Dプリンター装置メーカーと共た材 料 設 計、ノズ ル 吐 出口から移 動す

AM技 術は、樹脂だけでなく、金 属や（material extrusion）が 注目されてきて産に向いている。材料の自由度が 高く、同で金 属やセラミックス材料のペレットる際 の 糸 曳 性 制 御 など が 必 要となる。

各種粉末冶金原料が使用される 3 ) 。

セラミックスなどさまざまな材料が適応いる。セラミックス 材 料で は 、光 硬 化されているが、材料によって造 形方 式が性 樹 脂とセラミックス 粉 末 を 混 合して異なる。
金 属 材 料では、レーザーや 電 子ビーの必 要な部分 のみに材 料を加え、層ごムを 熱 源として、平 た んに 敷 き 詰 めたとに積層する加工法である。AM技術は、

金 属 粉 末 を 一 層 ず つ 溶 融・固 着し な形状の自由度が 高く、部品の一体化やトが ら 積 層 し て い くPBF（ powder bed

ポロジー 最 適 化による軽 量 化 が できるfusion ）や、レーザー照 射位 置に粉 末 材

PIMの生産プロセスには、混練、造粒、（ vat photopolymerization）
使 用するVPP射出成形、脱脂・焼結の工程がある。各やPBFに加え、BJTや ME X も 検 討 さ れ

種粉末と所定の割合のバインダー（ 40 ～ている 表 1 2 ) 。

PIM 技術を応用した
3 D プリンター用材料

原料が使用できるMEX 方式の 3Dプリン

さらに、PIM 製 法と同 様に 脱 脂 時 の 変

ター 図 2 を改 良し、それに適 応した材料

形やクラック抑 制 製 法に対 応 する組 成を開発した 図 3 。

設 計が必 要である。

MEX 方式において積 層間の密着 性お60 vol%）を混練後、ペレット形 状に造粒3Dプリンター用材料の開発

よび 造 形 強 度 が 不足した場 合、引張 応する。射出 成 形で 得られた 成 形 体 のバPIM 製 法 は、金 属 や セラミックス 粉力により積 層間に亀 裂 が 入り形 状を 保（脱脂）インダー成 分を除 去し、焼 結にて末を含んだ 材 料を加熱 溶 融 後、冷 却し持できなくなる。密着性および造形強度原料粒子同士を接合、緻密化させる。

た 金 型に 射出 注 入し、冷 却 固 化して成を向上させることで、連 続した積 層造 形

PIM 技術の特長

PIMにおけるバインダーの技術、脱脂・形体を得る方法である。PIM 用材料は、が 可能となり、同時に冷 却 収 縮 や脱 脂焼結による金属やセラミックス焼結体を射 出 成 形 時 の 金 型 転 写 性 を 上 げ るた

変 形に対しても形 状を 保 持することがは金 属 粉 末に液 体バインダーなどの 結PIM技術は、粉末と樹脂バインダーの得る技術を AM技術に応用する 図 1 。

めの流 動 性、金 型からの離 型 性、サイク可能となる 図 4 。また、糸曳性制御が悪（binder jetting ）合 剤を噴 射するBJTに混 練 物を射出成 形し、精密で複 雑な 小

ル時間を 短 縮する冷 却 特 性に加え、脱い場合は、造形点と造形点の間が連なっなど、従 来の加工 技 術では困難な形 状

料 を 吹 き 付 けるDED（directed energyを造形できるため、幅広い分野で新しいが用いられてきたが、最 近でdeposition）キーテクノロジーとして期待されている。

脂時の保 形 性、クラック、フクレの発 生た糸曳状態となり、外観上大きな問題と抑 制などに対応した 組 成で 設 計されてなる。糸曳性を抑えたバインダー設計お当 社の 保 有 するPIM用 粉 末と樹 脂のいる。一方、MEX 方 式の 3Dプリンター

よび造形条件により、造形停止後の移動混 練 技 術、バインダー設 計 技 術を応 用の 製 法 は、金 属やセラミックス 粉 末 を時に上手く切 断されて糸 曳を抑えた 造で きる 3Dプリンターに着目し、MEX 方含んだ 材 料 を加 熱 溶 融し、ノズ ルから形品を得ることが 可能となる 図 5 。

MEX 方式への適応

AM プロセスの分類
定義

BJT

binder jetting

結合剤噴射

液状の結合剤を選択的に供給して、粉体材料を結合する

DED

directed energy deposition

指向性エネルギー堆積集束させた熱エネルギーを利用して材料を溶融し、結合し、堆積させる

MEX

material extrusion

材料押出ノズル又はオリフィスから材料を押し出し、選択的に供給する

MJT

material jetting

材料噴射

造形材料の液滴を選択的に堆積する

PBF

powder bed fusion

粉末床溶融結合

熱エネルギーを使用して粉末床を選択的に溶融凝固する

SHL

sheet lamination

シート積層

シート状の材料を積層し、層間を結合して造形物を形成する

VPP

vat photopolymerization

第 一工 業 製 薬 社 報 ｜ No.601 ｜ 拓 人 2022 夏造形ステージ

加 え、粉 末 と 樹 脂 バ イン ダー の 混 練方式

11造形
ステージ

物を 溶 融して 押し出し、積 層 するMEXAM（アディティブ・マニュファクチャリング ）

表1

溶融押出機

金属、セラミックスの AM 技術

AM 技術の特長

モデルのデータを薄く分割し、断面形状

溶融材料

ノズル

原料
ホッパー

材料押出方式

図3

は、付 加 製 造とも呼ば れ、3Dデジタル

溶融ヒータ

3 D プ リン ター（ 左：SUS316L 、右：ジルコニア ）AM 技術

焼結部品るようになり、近 年 、高 温や高 圧にも耐えられる材結注目度も高い 。

焼3Dプリンターは、2012 年 頃 から世界 中で 注目され

■共通工程

脂1)

樹脂
バインダー

金型

脱営業部 専門課長 新規事業担当

駆動装置

３Ｄ造形

第 一 セラモ 株 式 会 社

練和田 誠 |混

3D プリンター用材料の開発

金 属またはセラミックスの粉末

ペレット
原料材料

粉末射出成形

射出成形

金属

液槽光重合

容器内の液体光硬化性樹脂を光重合によって選択的に固化する

式 の 金 属やセラミックス材 料 へ の展 開

吐出、冷 却固化し、1 層ずつ積 層するこ開発した技術をもとに金属ではステンについて検 討を進めた。MEX 方 式ではとで 造 形品を得る方法である。3Dプリレス材料、セラミックスではジルコニア、一般的に棒状のフィラメント形 状を溶融

ンター用 材 料においては、溶 融 押し出アルミナの材料を先行し、評価を進めて押し出しするが、ペレット形 状の材料をしにおける流 動 特 性 の 制 御、吐 出されいる。

用いることで、粉末の高密度充填、バイた 溶 融 物同士の融 着・密 着 性、冷 却に第 一工 業 製 薬 社 報 ｜ No.601 ｜ 拓 人 2022 夏12

明日への技 術 情 報Technical Information
120×H 150 mm6h

φ

内部構造

積層面積層面

63×H 78 mm , 1.5 hφ

図6内部構造の造形例：歯車（ SUS316L 造形品 ）図9120×H 150 mm
6h

ジルコニア焼結品の断面観察

図 10

可動域を持 った造形例：リング （ ジルコニア焼結品 ）φ63×H 78 mm , 1.5 hφ

図7

内部空洞の造形例：流路

図8（ アルミナ焼結品 ）MEX 方式の特長
内部構造制御 > 軽量化

図 8 は、ギア形 状の造 形例で、φ63×H78mmが1時間 30 分、φ120×H150mm

異種材料の造形例：カップ

図 12

オリジナルインテリアの造形例：チェス駒、ランプシェード（ ジルコニア焼結品 ）少なさが 課題となっている。AM技術は、ト原料が使用できるため、材料の自由度より加工を必要とせず作製することが 可産 業 用部 品、航 空 宇宙部 品、医 療およが 高い。

能となる。

び歯科部品への適応が進められている。

今後は、ステンレス、ジルコニアやアルなどの難 加工材においても一 体造 形に形に適している。

図 11（ ジルコニア焼結品 ）MEX 方 式では、必要な部分以 外は空の大型形状でも6 時間で造形できる（ノズ

図 11 は、多色のジルコニアを同時に積高精度を求める方 式や造 形速 度や大 型ミナのほか、焼 結に用いられるタングス間となるため、外観全体を覆うような内

ル径：1mm、積層ピッチ：0.25mm、造形速度：層したカップの造 形例で、複 数のノズル化をめざす方式など、用途により使用さテン、超硬合 金、窒 化ケイ素、炭化ケイ部空洞を作ることができる。 図 6 に歯車。
1800mm/min）

を用いて積 層することにより、材料切りれる造 形方 式の細 分 化が 進むと予 測さ素など幅広いマルチマテリアルへの対応替えを必要とせず 異 種 材料の一 体造 形れる。

を進める。さらに複数ノズルを用いた異和田 誠
第一セラモ株 式会 社
営業部 専門課 長 新 規事 業 担当

状の造 形 物の 例を示す。内部 格 子構 造を設計で任意に変更することができ、軽緻密体構造量化が 可能である。

PIM 技術を応用した脱脂・焼結により、内部構造制御 > 多機能化が 可能となる。
図 12 は、チェス駒およびランプシェー

MEX 方 式 の 技 術 向 上およびAM技 術

種 材料の一 体造 形が 可能なため、異なの実用的普及を目指し、2021年 4 月より、る組成材料で傾斜 機能を持たせるなど、新たな機能付与も検討する。

緻密 化された高密度の焼 結部品が 得ら

ドの造形例で、内部構造による造形品の当社（ 材料 ）、エス.ラボ株式会社（ 3Dプリンれる。

重さ調整や幾 何学模様により、オリジナ、島 津 産 機システムズ株 式 会 社（ 脱ター）ル のインテリア雑 貨や家 具 などの 作 製、近 畿 大 学次 世代 基 盤 技 術
脂・焼 結 炉 ）が 可能となる。

研究所の京極秀樹特任教授（ 評価、指導 ）空間部に独自の熱 分 解型支 持材を使

図 9 は、セラミックス（ ジルコニア ）材料用することで、空洞部の垂れ防止や支持の 造 形 品を脱 脂、焼 結した後 の断 面を材除去の必要がなく、任意の空洞を持つ観察したもので、内部の積層面は緻密化

いずれの 造 形 例もモデル的に想 定さの４者にて、「MEX 方 式の金 属 3Dプリン

本稿では、当社がこれまで開発を行っ内部 構造を実現することができる。 図 7

されている。焼結品の相対密度はPIMとれる形 状を表したもので、今後も新しいターによる金 属・セラミックス部品の開てきたPIM技術を応用し、実用化に向けは、内部に流 路や空 洞を設けた造 形例（ジルコニア（ 3Y ）同等の値を示している：相ものづくりの提案を進めていく。

発技術の革新」を目的にした共同研究をた 3Dプリンター用材 料 の開 発について

で、断 熱 性や 絶 縁 性などさまざ まな 機。
対密度 6.05g/cm 3）進めている。

述べた。

能を持たせている。

MEX 方式の造形例

今後の展開

おわりに

今 回 紹 介 し たPIM 技 術 を 応 用し た

今後、さまざまな分野における顧客要

MEX 方 式 のAM技 術では、従 来 の 金 属

望の 新 規 材 料や、用途 開 発につながる3Dプリンター用材料を用いたMEX 方

AM技 術 の 課 題としては、造 形 速 度、やセラミックスのAM技 術に比べ、内部材料を提案し、新たな技術開発に貢献しMEX 方 式は、熱 溶 融した材 料をノズ式の造形例をモデル形状にて紹介する。

精度、造 形サイズ、表面粗さ、製 造コス構造制御による軽量化および多機能化、ていく。

（φ0.3 ～ 4mm）
ルから押し出すため、VPP

図 10 は、連結部分に可動域を持ったリトなどがあり、各造形方式で取り組みが大 型・高速 造 形化が 可能である。また、方式やBJT 方式よりも高速で、大型の造ングの造 形例で、高 硬 度 材や高強 度 材行われている。材 料 面では適 応 材 質の粉末と樹脂バインダーを混練したペレッ

大型・高速造形

13

大型形状の造形例：V 字ギア（ 上：SUS316L 焼結品、下：ジルコニア焼結品 ）第 一工 業 製 薬 社 報 ｜ No.601 ｜ 拓 人 2022 夏☎ 0748 - 48 - 5377

m - wada @ dks - web.co.jp

www.dai - ichi - ceramo.co.jp

参考文献1 ） 京極 秀樹、金属 3D プリンタに関する技術動向と実際の適用事例、機械技術、
Vol.70、No.1、p.16 ～20（ 2022 ）2 ）梶 哲郎、応用拡大する 3D プリンタ
材料、工業材料、Vol.67、No.6 、
p.49 ～ 53（ 2019 ）3 ）加藤和幸、小西勇介、セラミックス、
Vol.53 、No.1、p.26 ～29（ 2018 ）用語説明

PIM：粉末射出成形 Powder Injection
Molding
トポロジー最適化：最適な構造レイアウトや材料配置が可能な設計ツール

第 一工 業 製 薬 社 報 ｜ No.601 ｜ 拓 人 2022 夏14